1、基 礎 知 識 計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型第一章 數據庫系統概論計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型 數據庫是相互關聯的數據的集合，它用綜合的方法組織數據，具有較小的數據冗余，可供多個用戶共享，具有較高的數據獨立性和安全控制機制，能夠保證數據的安全、可靠，并允許并發地使用數據庫，及時、有效地處理數據，且能保證數據的一致性和完整性。 計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型1.1 數據庫技術發展1.1.1 數據處理技術的演變 數據管理是數據庫的核心任務，其內容包括對數據的分類、組織、編碼、儲存、檢索和維護。數據庫技術隨著計算機硬件和軟件的發展而不斷地發展。 數據管理共經歷了人工

2、管理階段、文件系統階段和數據庫系統階段三個階段。 計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型20世紀50年代中期以前 數據和程序之間的關系人工管理階段的特點：（1）數據不保存 （2）數據缺乏管理軟件 （3）數據冗余度高應用程序 1應用程序 2應用程序 n數據組1數據組 2數據組 n1. 人工管理階段計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型 20世紀50年代后期到60年代中期：不僅用于科學計算，還大量應用于管理數據。 2文件系統管理階段計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型文件系統管理階段的特點：1 數據冗余度大 2 數據不一致 3 程序和數據具有物理獨立性，但不具有邏輯獨立性程序和數據之間的關

3、系 應用程序1應用程序2應用程序n文件系統文件1文件2文件n計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型 3. 數據庫系統階段 20世紀60階段年代后期，數據庫中的數據面向整個企業（組織）或整個應用的。 計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型數據庫系統階段特點（1）使用復雜的數據模型來表示結構 （2）具有很高的數據獨立性 （3）數據共享度高、冗余度小數據和程序之間的關系應用程序1應用程序2應用程序n數據庫管理系統數據庫計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型 20世紀60年代末 年美國IBM公司推出世界上第一個數據庫管理系統IMS，基于層次模型 2. 1969年美國數據系統語言協會（CODASY

4、L ）的數據庫任務組DBTG（DataBase Task Group） 發表了網狀數據模型的DBTG報告 3. 1970年美國IBM公司的高級研究員連續發表論文，提出關系數據模型，奠定了關系數據庫的理論基礎1.1.2 數據庫系統的發展過程計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型基本概念數據及數據聯系的描述 1.數據模型的概念數據模型是數據庫系統的數學形式框架，是用來描述數據的一組概念和定義，包括如下幾個方面的內容： 數據的靜態特征，包括對數據結構和數據間聯系的描述數據的動態特征，是一組定義在數據上的操作，包括操作的含義、操作符、運算規則及其語言等數據的完整性約束，這是一組規則，數據庫中的數據必

5、須滿足這組規則。 數據模型的類型：1.2 數 據 模 型計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型（1）概念數據模型（conceptual data model）：這是面向數據庫用戶的現實世界的數據模型，與具體的DBMS無關。概念數據模型主要用來描述現實世界的概念化結構，它使數據庫的設計的初始階段，擺脫計算機系統及DBMS的具體技術問題，集中精力分析數據、數據間聯系等。概念模型必須轉換成邏輯數據模型，才能在DBMS中實現。最常用的概念模型是E-R模型。它是將現實世界的信息結構轉換成數據庫的數據模型的橋梁。（2）邏輯數據模型（logical data model）：用戶從數據庫所看到的數據模型，是

6、具體的DBMS所支持的數據模型。如網狀數據模型、層次數據模型、關系數據模型和面向對象數據模型等。邏輯數據模型既要面向用戶，也要面向系統，一般由概念模型轉換而來。（3）物理數據模型（physical data model）：描述數據在存儲介質上的組織方式的數據模型，它不僅與具體的DBMS有關，而且與操作系統和硬件有關。每一種邏輯數據模型在實現時都有對應的物理數據模型，一般說來都由DBMS自動完成物理數據模型的實現工作，設計者則只負責設計索引、聚集等特殊結構。 計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型2.其他相關概念（1）現實世界 現實世界是指存在于人腦之外的客觀世界。現實世界是客觀存在的。 （2

7、）概念世界 概念世界又稱信息世界，是現實世界在人們頭腦中的反映，是對客觀事物及其聯系的一種抽象描述。它不是現實世界的簡單復制，而要經過選擇、命名、分類等抽象過程產生概念模型。概念模型是現實世界到機器世界必然經過的中間層次。計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型 實體 ：客觀存在并可相互區別的事物稱為實體。實體可以是實際事物，也可以是抽象事件，還可以是事物之間的聯系。 屬性：用來描述實體的某一方面特性的概念。 實體標識符：如果某個屬性或屬性組合的值能夠惟一地標識出實體集中的每一個實體，則可以選擇該屬性或屬性組合作為實體標識符。 聯系（Relationship）：現實世界中的事物是存在普遍聯系的

8、。 兩類聯系：實體內部各屬性之間的聯系。和實體之間的聯系。 計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型（3）機器世界字段（field）：相應于屬性的數據稱為字段，或者叫數據項，又叫數據元素或初等項。記錄（record）：相應于每一實體的數據叫記錄。文件：相應于實體集的叫文件，它是同類記錄的集合。記錄型：相應于實體型的為記錄型。關鍵字：相應于實體標識符的為關鍵字，關鍵字又稱為碼。計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型上述概念對應關系如下：信息世界 機器世界實 體 記 錄屬 性 字 段實 體 集 文 件實 體 型 記錄型實體標識符 關鍵字計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型1.E-R模型的目的

9、（1）企圖建立一個統一的數據模型，以概括三種傳統數據模型（層次模型、網狀模型和關系模型）；（2）作為三種傳統模型之間互相轉換的中間模型；（3）作為超脫DBMS的一種概念數據模型，以比較自然的方式模擬現實世界。 E-R模型不同于傳統數據模型，它不是面向實現的，而是面向現實世界的。設計E-R模型的出發點是有效和自然地模擬現實世界，而不是首先考慮它在機器中如何實現。 1.2.2 概念數據模型（E-R模型）（Entity-Relation）計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型2. E-R圖三要素 實體 聯系 屬性3.三種聯系方式 設A、B為兩個實體集。 （1）一對一聯系（1:1） 若A中的每個實體

10、至多和B中的一個實體有聯系，反過來B中的每個實體至多和A中的一個實體有聯系，稱A和B是1:1聯系。 計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型 （2）一對多聯系（1:n） 如果A中的每個實體可以和B中的幾個實體有聯系，而B中的每個實體至多和A中的一個實體有聯系，那么A對B屬于1:n聯系。 （3）多對多聯系（m:n） 若A中的每個實體可與B中的多個實體有聯系，反過來B中的每個實體也可以與A中的多個實體有聯系，則稱A對B或B對A是多對多聯系（m:n） 計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型（4）ER圖設計 1）真實性 2）簡單性原則 3）實體與屬性確定規則 a. 作為屬性，不能再具有需要描述的信息

11、，屬性必須是不可再分的數據項，不能包含有其它屬性。 b.屬性不能與其它實體具有聯系，在E-R圖中，只有實體與實體之間才能有聯系。 計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型 1.層次模型 層次模型（Hierarchical Model）是用樹型結構來表示實體之間聯系的模型。它可以看作是一棵以記錄型為結點的有向樹 ，它把整個數據庫的結構表示成一個有序樹的集合，而這些有序樹的每一個結點是一個有若干數據項組成的邏輯記錄型。 在層次模型中，數據是按層次路徑存取的。 層次模型是一種簡單的模型，只能表示一對多的聯系，無法描述復雜的聯系，表達能力弱，所以適用范圍受限。 1.2.3 邏輯數據模型計算機軟件基礎和

12、應用網絡數據庫定義和類型 教務管理系統的層次模型學生學號姓名性別年齡課號課程名學時教師編號姓名職稱教師專業代號專業名專業系學院學院代號 學院名 負責人系號負責人系名 計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型2.網狀模型 在網狀模型中子女到雙親的聯系不是惟一的，即在網狀模型中可以很容易實現多對多的聯系，可以描述更復雜的現實世界。 在網狀模型中給每一對父結點與子結點之間的聯系都要指定名字，這種聯系稱為系。系中的父結點稱為首記錄型或主記錄型，子記錄型稱為屬記錄型。 計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型網狀模型的主要缺點是數據結構本身及其相應的數據操作語言都極為復雜。一般說來，結構越復雜，則其功能

13、越強，所要處理的操作也越多，因此相應的數據操作語言也就越復雜。而且由于其結構復雜，給數據庫設計帶來了困難。計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型3.關系模型 關系模型是通過表格數據，而不是通過指針連接來表示和實現兩個實體間的聯系。（1）關系具有如下屬性：表格中的每一列都是不可再分的基本屬性；各列的名字不同，列的順序不重要；行的次序無關緊要；關系中不允許有完全相同的兩行存在。 計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型（2）關系模型具有以下特點： 1）描述的一致性。 2）利用公共屬性連接。 3）結構簡單直觀。 4）有嚴格的理論基礎。 5）語言表達簡練。計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型員工

14、編碼 姓名 部門 性別 職務 50002文明辦公室男科員60003李翔風人事科男科長70004張曉風財務科女科員70005王莉勤后勤處女處長計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型將關系名及其屬性名集合稱為關系模式，具體的關系是實例。在支持關系模型的數據庫中，數據被看作是一個個的關系，描述數據庫全部關系的一組關系模式稱為關系數據庫的數據庫模式。任何時刻數據庫的所有具體的關系組成關系數據庫的一個實例。 計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型關系模型具有以下特點：(1)描述的一致性。無論是信息世界中的實體還是聯系都是用一個關系來描述，保證了數據操作語言相應的一致性，對于每一種基本操作功能，都只需

15、要一種操作運算。(2)利用公共屬性連接。關系模型中的各個關系之間都是通過公共屬性發生聯系的。(3)結構簡單直觀。采用表結構，用戶容易理解，有利于和用戶進行交互，并且在計算機中實現也極為方便。計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型(4)有嚴格的理論基礎。二維表的數學基礎是關系數據理論，對二維表進行的數據操作相當于在關系理論中隊（對？）關系進行運算。這樣，在關系模型中整個模型定義與操作均建立在嚴格的數學理論基礎上。(5)語言表達簡練。在進行數據庫查詢時，用嚴密的關系運算表達式來描述查詢，從而使查詢語句的表達非常簡單直觀。關系模型的缺點是在執行查詢操作時，需要執行一系列的查表、拆表、并表操作，故執

16、行時間較長，但是采用優化技術的當代關系數據庫系統的查詢操作的效率，完全不輸于建立在其他數據模型上的數據庫系統。計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型4.三種數據模型的比較 比較的標準：（1）使用容易程度（2）實現效率 就使用方便來說，關系模型是最佳的。 從實現效率來看，層次模型和網狀模型要優于關系模型。計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型1.3 數據庫系統的結構 數據庫系統是一個復雜的系統，因為數據庫系統不僅是指數據庫和數據庫管理系統本身，而且是指計算機系統引進數據庫技術后的整個系統，是數據、硬件、軟件和相關人員的組合體。計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型 數據庫系統的五個部分組成

17、： 硬件資源 軟件資源 數據庫結構 數據庫管理員 用戶計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型應用程序應用程序應用程序數據庫管理系統（DBMS）數據庫管理員（DBA）數據庫用戶計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型硬件資源數據庫系統的硬件資源包括CPU、內存、磁盤、磁帶及其他外部設備等。 2.系統軟件數據庫系統軟件包括：操作系統（OS），如DOS系統，UNIX系統，Windows系統及LINIX系統等。數據庫管理系統（DBMS）如FoxPro、Oracle、Ingres、Sybase等。高級語言編譯系統，如利用Fortran、C+、VB等。其核心為DBMS。計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義

18、和類型3.數據庫體系結構數據庫系統的三級模式結構：用戶級數據庫:用戶看到和使用的數據庫，所以也稱為用戶視圖，又稱為子模式、外模式、用戶模式等。 概念級數據庫:DBA（數據庫管理員）看到的數據庫，因此也稱為DBA視圖，又稱為模式。 物理級數據庫:數據在數據庫系統內部的表示，即對數據的物理結構和方式的描述。又稱為存儲模式、內模式 計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型4. 數據庫管理員主要職責包括：負責數據庫核心及其開發工具的安裝及升級；為數據庫系統分配存儲空間并規劃未來的存儲需求；協助開發者建立基本的對象（表、視圖、索引）；負責注冊用戶并維護系統的安全性；負責數據庫系統的備份和恢復。 5. 用

19、戶專業用戶最終用戶計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型 DBMS是對數據庫進行定義、管理、維護和檢索的一個軟件系統。DBMS總是基于某種數據模型的，因此，可以把它看成是某種數據模型在計算機系統上的具體實現。(1)DBMS的功能數據庫的定義數據庫的操作及查詢優化數據庫的控制運行數據庫的恢復和保護數據庫的數據管理計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型(2)數據庫管理系統的工作過程 狀態工作區應用程序ADBMS應用程序A外模式應用程序B外模式概念模式內模式OS系統緩沖區數據庫外部記錄存儲記錄圖2.13 數據庫存取的過程計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型(3) DBMS的選擇選擇DBMS之

20、前，數據庫設計者需要確定數據庫應用系統對DBMS的要求，這些要求包括如下幾個方面：（1）數據庫管理系統的類型，如是專用DBMS還是通用DBMS等。（2）DBMS所支持的數據庫的規模以及數據量（3）數據庫的安全性、完整性、恢復及并發控制的能力（4）數據獨立性程度（5）數據庫終端用戶的類型、聯機處理特性、數據處理特性以及對數據語言的要求。（7）系統開發和數據庫利用的難易。如提供哪些開發工具、主語言、DML的功能、終端語言等。（8）監測數據庫性能的能力（9）提供DBMS的廠商所能提供的支持 計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型1.4.1 概述 數據庫的保護涉及到三個方面的問題，即數據庫的私用性（

21、Privacy）、安全性（Security）和完整性（Integrity）。 私用性是指一定的數據和對這些數據的某些操作，只對特定的用戶開放，由某些用戶專用（獨享）。 安全性主要是指對數據的存取控制（Access Control）。防止未經授權的人員非法存取他不該存取的數據，防止數據泄密，防止數據被破壞。 完整性是指保證數據的正確與一致，使數據庫中的數據在任何時刻都是有效的。1.4 數據庫的完整性與安全性計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型1.4.2 數據的完整性約束 數據庫的完整性包含三個方面的含義：數據的正確性（correctness）、準確性（Accuracy）和有效性（Validi

22、ty）。 一致性（consistency）是指數據庫中兩個以上的數據的互相相容的要求。計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型完整性受到破壞的原因：（1）錯誤的數據（2）錯誤的更新操作（3）各種軟硬件故障（4）并發訪問（5）人為破壞計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型完整性控制最核心的元素是完整性約束條件。完整性約束條件作用的對象可以是屬性、元組、關系等幾種對象。對屬性的約束主要指對其取值類型、精度、范圍等的約束條件。對元組的約束是指對記錄中各字段之間的聯系的約束。對關系的約束是指對若干記錄間、關系間的聯系的約束。 靜態約束就是反映數據庫狀態合理性的約束。動態約束則是反映數據庫從一個狀態變

23、為另一個狀態時應遵守的約束。計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型（1）完整性約束說明 隱式約束： 主鍵約束 外鍵約束 非空約束 數據類型說明 顯式約束： 用過程說明約束 CHECK約束 用斷言說明 用觸發器表示約束 計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型數據庫的安全性安全模型登錄用戶角色權限對象計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型2. 視圖 視圖技術是當前數據庫技術中保護數據庫安全性的重要手段之一。3. 訪問控制 （1）權限和角色 (2) 授權4. 數據密碼5. 跟蹤審計計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型 1.事務：數據庫環境中的一個邏輯工作單元。由一系列操作組成，這些操作要么

24、全部成功完成，要么全部失敗。事務是數據庫系統工作的基本單位，相當于操作系統的進程。長事務短事務事務的特性：ACID性質（1）原子性（Atomicity）（2）一致性（Consistency）：對數據庫的每一個更新操作，都必須遵守一定的完整性約束。1.4.3 并發控制計算機軟件基礎和應用網絡數據庫定義和類型（3）隔離性（Isolation） 是指兩個或多個事務可以同時運行而不互相影響，一個事務內部的操作及其使用的數據對并發的其他事務是隔離的、不可見的。（4）持久性（Durability） 事務的持久性是一個事務的成功完成之后，其工作的結果就會永遠保存在數據庫中，使永久有效的。計算機軟件基礎和應用

25、網絡數據庫定義和類型2.并發異常（1）丟失更新當兩個事務T1和T2同時更新某條記錄時，它們讀取記錄并修改。事務T2提交的結果將破壞T1提交的結果，導致T1的修改結果丟失 （2）臟數據 “臟”數據是指事務T1修改某一條記錄，將其寫入數據庫，事務T2讀取同一條記錄后，T1由于某種原因被撤銷，此時T1已修改過的數據恢復原值，但T2讀到的數據卻和數據庫中的數據不一致了，這個數據被稱為“臟”數據。 （3）不可重復讀 事務T1讀取數據后，事務T2對同一數據執行更新操作，使T1再次讀取該數據時，得到與前一次不同的值。（4）幻影數據 事務T1按一定條件從數據集中讀取數據后，事務T2對該數據集刪除或插入了一些記錄，這